微機原理教程l教程01

1、課程介紹課程介紹微機原理微機原理：8088CPU8088CPU和和IBM PCIBM PC系列機系列機匯編語言匯編語言：80888088指令和指令和MASMMASM匯編語言匯編語言接口技術接口技術：半導體存儲器及其接口半導體存儲器及其接口I/OI/O接口電路及其與外設連接接口電路及其與外設連接硬件接口電路原理硬件接口電路原理軟件接口編程方法軟件接口編程方法第第1 1章章第第1章：微型計算機系統(tǒng)概述章：微型計算機系統(tǒng)概述教學重點 微型計算機的系統(tǒng)組成微型計算機的系統(tǒng)組成 IBM PC系列機的主機板系列機的主機板1.1 微型計算機的發(fā)展微型計算機的發(fā)展微型計算機（微型計算機（Microcomput

2、er）性能適中、價格低廉、體積較小的計算機性能適中、價格低廉、體積較小的計算機最常見的計算機最常見的計算機現(xiàn)代計算機三大主要應用形式的主角現(xiàn)代計算機三大主要應用形式的主角 桌面?zhèn)€人微機（PC機） 服務器 嵌入式計算機系統(tǒng)采用微處理器為核心構造的計算機采用微處理器為核心構造的計算機微處理器、處理器、中央處理單元微處理器、處理器、中央處理單元CPU計算機的運算和控制核心計算機的運算和控制核心采用一塊大規(guī)模集成電路芯片構成采用一塊大規(guī)模集成電路芯片構成處理器的基本性能指標處理器的基本性能指標字長（字長（Word）處理器每個時間單位處理的二進制數(shù)據(jù)位數(shù)處理器每個時間單位處理的二進制數(shù)據(jù)位數(shù)（例如一次進

3、行運算、傳輸?shù)奈粩?shù)）（例如一次進行運算、傳輸?shù)奈粩?shù)）指示處理器的數(shù)據(jù)處理能力指示處理器的數(shù)據(jù)處理能力時鐘頻率時鐘頻率處理器的處理速度處理器的處理速度反映處理器的基本時間單位反映處理器的基本時間單位集成度集成度芯片上集成的晶體管數(shù)量芯片上集成的晶體管數(shù)量表明處理器的生產(chǎn)工藝水平表明處理器的生產(chǎn)工藝水平4、8、16、32、64、128Hz、kHz、MHz、GHz1.1.1 通用微處理器通用微處理器4位微處理器位微處理器1971年，年，Intel 4004，第一個微處理器，第一個微處理器8位微處理器位微處理器M6800、Z80和和Intel 8080/8085Apple公司蘋果機公司蘋果機16位微處

4、理器位微處理器Intel 8086/8088 16位個人計算機（位個人計算機（PC：Personal Computer）32位微處理器位微處理器80386，80486，PentiumPentium 432位位PC機，機，APPLE公司的公司的Macintosh機機64位微處理器位微處理器IA-64結構：結構：Itanium（安騰）（安騰）x86結構：結構：AMD的的64位處理器、位處理器、Intel 64處理器處理器采用4004的計算器Intel 4004性能指標性能指標單片機（微控制器，嵌入式控制器，單片機（微控制器，嵌入式控制器，MCU）Intel的的MCS-48，MCS-51，MCS-9

5、6/98系列系列愛特梅爾（愛特梅爾（Atml）公司的）公司的AT89系列（與系列（與MCS-51兼容），兼容），AT91系列（基于系列（基于ARM內(nèi)核）內(nèi)核）Microchip Technology公司的公司的PIC系列系列數(shù)字信號處理器（數(shù)字信號處理器（DSP）專注于數(shù)字信號的高速處理專注于數(shù)字信號的高速處理美國德州儀器美國德州儀器TI公司公司TMS320各代產(chǎn)品各代產(chǎn)品主要應用于通信、消費類電子產(chǎn)品和計算機主要應用于通信、消費類電子產(chǎn)品和計算機主要應用形式：嵌入式系統(tǒng)主要應用形式：嵌入式系統(tǒng)1.1.2 專用微處理器專用微處理器1.1.3 摩爾定律摩爾定律集成電路生產(chǎn)技術推動了計算機的飛速發(fā)

6、展集成電路生產(chǎn)技術推動了計算機的飛速發(fā)展摩爾定律（摩爾定律（Moores Law）集成電路上晶體管密度每年將翻倍集成電路上晶體管密度每年將翻倍每隔每隔18個月硅片密度（晶體管容量）將翻倍個月硅片密度（晶體管容量）將翻倍每每18個月，集成電路的性能將提高一倍，而其價格將個月，集成電路的性能將提高一倍，而其價格將降低一半降低一半摩爾定律不會永遠持續(xù)摩爾定律不會永遠持續(xù)今后，性能提高更多地今后，性能提高更多地得益于計算機系統(tǒng)結構的革新得益于計算機系統(tǒng)結構的革新現(xiàn)在，多核處理器使得摩爾定律延續(xù)現(xiàn)在，多核處理器使得摩爾定律延續(xù)1.2 微型計算機的系統(tǒng)組成微型計算機的系統(tǒng)組成運算器運算器 控制器控制器 寄

7、存器組寄存器組 主存儲器主存儲器 總線總線 輸入輸出接口電路輸入輸出接口電路外部設備外部設備 軟件軟件微處理器微處理器微型計算機微型計算機微型計算機系統(tǒng)微型計算機系統(tǒng)區(qū)別區(qū)別3個概念個概念1.2.1 馮馮諾依曼計算機結構諾依曼計算機結構ENIAC馮諾伊曼馮馮諾伊曼計算機的基本思想諾伊曼計算機的基本思想采用二進制形式表示數(shù)據(jù)和指令。指令由操作碼采用二進制形式表示數(shù)據(jù)和指令。指令由操作碼和地址碼組成和地址碼組成將程序和數(shù)據(jù)存放在存儲器中，計算機在工作時將程序和數(shù)據(jù)存放在存儲器中，計算機在工作時從存儲器取出指令加以執(zhí)行，自動完成計算任務。從存儲器取出指令加以執(zhí)行，自動完成計算任務。這就是這就是“存儲

8、程序存儲程序”和和“程序控制程序控制”（簡稱存儲（簡稱存儲程序控制）的概念程序控制）的概念指令的執(zhí)行是順序的，即一般按照指令在存儲器指令的執(zhí)行是順序的，即一般按照指令在存儲器中存放的順序執(zhí)行，程序分支由轉移指令實現(xiàn)中存放的順序執(zhí)行，程序分支由轉移指令實現(xiàn)計算機由存儲器、運算器、控制器、輸入設備和計算機由存儲器、運算器、控制器、輸入設備和輸出設備五大基本部件組成，并規(guī)定了輸出設備五大基本部件組成，并規(guī)定了5部分的部分的基本功能基本功能1. 組成部件組成部件5大部件組成大部件組成控制器、運算器、存儲器、輸入設備和輸出設備控制器、運算器、存儲器、輸入設備和輸出設備3個硬件子系統(tǒng)個硬件子系統(tǒng)處理器、存

9、儲系統(tǒng)和輸入輸出系統(tǒng)處理器、存儲系統(tǒng)和輸入輸出系統(tǒng)2. 二進制編碼二進制編碼計算機采用二進制形式表示數(shù)據(jù)和指令計算機采用二進制形式表示數(shù)據(jù)和指令現(xiàn)實中的一切，計算機中都是現(xiàn)實中的一切，計算機中都是0和和1數(shù)碼數(shù)碼二進制編碼二進制編碼按照一定規(guī)律組合的按照一定規(guī)律組合的0和和1數(shù)碼數(shù)碼不同的信息用不同的數(shù)碼表示不同的信息用不同的數(shù)碼表示同樣的信息也可以用不同的編碼規(guī)則用不同樣的信息也可以用不同的編碼規(guī)則用不同的數(shù)碼表示同的數(shù)碼表示程序、指令、操作碼程序、指令、操作碼程序用程序設計語言編寫，由指令構成程序用程序設計語言編寫，由指令構成指令指令(機器語言機器語言)是控制計算機操作的命令是控制計算機操

10、作的命令指令由操作碼和地址碼組成指令由操作碼和地址碼組成操作碼（操作碼（Opcode）表明指令的操作）表明指令的操作地址碼、操作數(shù)（地址碼、操作數(shù)（Operand）是參與操作的數(shù)據(jù)）是參與操作的數(shù)據(jù)指令的代碼格式：二進制編碼規(guī)則指令的代碼格式：二進制編碼規(guī)則基本數(shù)據(jù)單位（二進制位）基本數(shù)據(jù)單位（二進制位）1位位 比特（比特（bit：binary digit）4位位 半字節(jié)（半字節(jié)（Nibble）8位位 字節(jié)（字節(jié)（Byte）16位位字（字（Word）32位位雙字（雙字（Double word）64位位4字（字（Quad word） D7D6D5D4D3D2D1D0哪哪“位位”？ 二進制二進制B

11、，十進制，十進制D，還是十六進制，還是十六進制H ？3. 存儲程序和程序控制存儲程序和程序控制存儲程序存儲程序把指令以代碼的形式事先輸入到計算機的主存把指令以代碼的形式事先輸入到計算機的主存儲器中，這些指令按一定的規(guī)則組成程序儲器中，這些指令按一定的規(guī)則組成程序程序控制程序控制啟動后，程序就會控制計算機按規(guī)定的順序逐啟動后，程序就會控制計算機按規(guī)定的順序逐條執(zhí)行指令，自動完成預定的信息處理任務條執(zhí)行指令，自動完成預定的信息處理任務存儲單元地址存儲單元地址為每個存儲單元編排的一個唯一的編號為每個存儲單元編排的一個唯一的編號主存儲器是字節(jié)可尋址的：主存儲器的每個存主存儲器是字節(jié)可尋址的：主存儲器的

12、每個存儲單元具有一個地址，保存一個字節(jié)的信息儲單元具有一個地址，保存一個字節(jié)的信息地址編號地址編號取指譯碼執(zhí)行周期取指譯碼執(zhí)行周期取指（取指（Fetch）處理器從主存儲器讀取指令處理器從主存儲器讀取指令譯碼（譯碼（Decode）翻譯指令代碼的功能翻譯指令代碼的功能執(zhí)行執(zhí)行(Execute）執(zhí)行指令完成指令所規(guī)定的操作執(zhí)行指令完成指令所規(guī)定的操作程序計數(shù)器程序計數(shù)器PC確定下一條指令的主存地址確定下一條指令的主存地址PC具有自動增量的能力，實現(xiàn)程序的順序執(zhí)行具有自動增量的能力，實現(xiàn)程序的順序執(zhí)行轉移指令改變轉移指令改變PC的數(shù)值，實現(xiàn)分支、循環(huán)、調(diào)用的數(shù)值，實現(xiàn)分支、循環(huán)、調(diào)用1.2.2 微型計

13、算機的硬件組成微型計算機的硬件組成圖圖1-2 1-2 微型計算機的系統(tǒng)組成微型計算機的系統(tǒng)組成控制總線控制總線CB數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線DB地址總線地址總線AB微微處處理理器器I/O設備設備I/O接口接口存儲器存儲器系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線BUS 微處理器微處理器 存儲器存儲器 I/O設備和設備和I/O接口接口 系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線1. 微處理器微處理器微機的核心、控制中心，中央處理器微機的核心、控制中心，中央處理器CPU大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路VLSI芯片，集成芯片，集成控制器控制器運算器（整數(shù)運算器）運算器（整數(shù)運算器）寄存器（高速存儲單元）寄存器（高速存儲單元）高性能微處理器內(nèi)部還有高性能微處理器內(nèi)部

14、還有浮點處理單元甚至多媒體數(shù)據(jù)運算單元浮點處理單元甚至多媒體數(shù)據(jù)運算單元存儲管理單元、代碼保護機制存儲管理單元、代碼保護機制高速緩沖存儲器高速緩沖存儲器2. 存儲器存儲器存儲器（存儲器（Memory）是存放程序和數(shù)據(jù)的部件）是存放程序和數(shù)據(jù)的部件高性能微機的存儲系統(tǒng)高性能微機的存儲系統(tǒng)微處理器內(nèi)部的寄存器（微處理器內(nèi)部的寄存器（Register）高速緩沖存儲器（高速緩沖存儲器（Cache）主板上的主存儲器主板上的主存儲器以外設形式出現(xiàn)的輔助存儲器以外設形式出現(xiàn)的輔助存儲器主存儲器（主存、內(nèi)存）主存儲器（主存、內(nèi)存）半導體存儲器芯片組成半導體存儲器芯片組成RAM部分斷電后信息丟失部分斷電后信息丟

15、失相對造價高、速度快、但容量小相對造價高、速度快、但容量小輔助存儲器（簡稱輔存或外存）輔助存儲器（簡稱輔存或外存）磁盤、光盤存儲器等構成磁盤、光盤存儲器等構成相對造價低、容量大、信息可長期保存，但速度慢相對造價低、容量大、信息可長期保存，但速度慢RAM和和ROM3. I/O接口和接口和I/O設備設備I/O設備設備(Peripheral）：用戶與微機交互）：用戶與微機交互輸入（輸入（Input）設備）設備 標準輸入設備：鍵盤輸出（輸出（Output）設備）設備 標準輸出設備：顯示器I/O接口接口(Interface)：外設和主機間的橋梁：外設和主機間的橋梁完成信號變換、數(shù)據(jù)緩沖、聯(lián)絡控制等工作完

16、成信號變換、數(shù)據(jù)緩沖、聯(lián)絡控制等工作較簡單的較簡單的I/O接口電路與主板一體接口電路與主板一體較復雜的較復雜的I/O接口電路制成獨立的電路板（接口接口電路制成獨立的電路板（接口卡卡Card）4. 系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線總線（總線（Bus）傳遞信息的一組公用導線、信息通道傳遞信息的一組公用導線、信息通道系統(tǒng)總線（系統(tǒng)總線（System Bus）微機系統(tǒng)中信息交換的主要公共通道微機系統(tǒng)中信息交換的主要公共通道地址總線地址總線單向輸出主存單元或單向輸出主存單元或I/O端口的地址信息端口的地址信息數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線讀（讀（Read）操作數(shù)據(jù)輸入微處理器）操作數(shù)據(jù)輸入微處理器寫（寫（Write）操作數(shù)據(jù)輸出到外

17、界（主存或外設）操作數(shù)據(jù)輸出到外界（主存或外設）控制總線控制總線有些控制信號或狀態(tài)信號輸出有些控制信號或狀態(tài)信號輸出有些請求或聯(lián)絡信號輸入有些請求或聯(lián)絡信號輸入存儲器存儲器外設外設CPURead Write舉例舉例舉例舉例1.2.3 IBM PC系列機結構系列機結構16位位IBM PC系列機是系列機是32位微機的基礎位微機的基礎8088CPUIBM PC機機IBM PC/AT機機IBM PC/XT機機IBM PC/XT主機板結構主機板結構8088微微處處理理器器8087協(xié)協(xié)處處理理器器8288總線控制器總線控制器I/O通通道道8259中斷控制器中斷控制器隨機存儲器隨機存儲器RAM只讀存儲器只讀

18、存儲器ROM8253定時控制器定時控制器8237DMA控制器控制器8255并行接口并行接口控制總線控制總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線地址總線地址總線地址鎖存器地址鎖存器數(shù)據(jù)收發(fā)器數(shù)據(jù)收發(fā)器揚聲器揚聲器接口接口8284時鐘發(fā)生器時鐘發(fā)生器鍵盤鍵盤接口接口系統(tǒng)系統(tǒng)配置配置開關開關 處理器處理器8088CPU：16位內(nèi)部結構、位內(nèi)部結構、8位數(shù)據(jù)總線、位數(shù)據(jù)總線、20 位地位地址總線、址總線、4.77MHz主頻主頻 主存儲器主存儲器ROM-BIOS（基本輸入輸出系統(tǒng)）、主體為（基本輸入輸出系統(tǒng)）、主體為RAM I/O接口控制電路接口控制電路8259A、8253、8237A、8255等等 總線插槽總線插槽62線

19、的線的IBM PC總線總線IBM PC/AT主機板結構主機板結構微處理器：微處理器：Intel 80286主存儲器主存儲器ROM-BIOS：固化基本輸入輸出系統(tǒng)：固化基本輸入輸出系統(tǒng)（Basic Input/Output System）主存主要由主存主要由RAM組成組成I/O接口接口兩個中斷控制器兩個中斷控制器8259A兩個兩個DMA控制器控制器8237A定時控制器定時控制器8254并行接口電路并行接口電路系統(tǒng)總線：系統(tǒng)總線：ISA總線（總線（I/O通道）通道）示意圖示意圖1.2.4 微型計算機的軟件系統(tǒng)微型計算機的軟件系統(tǒng)操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)MS-DOS匯編程序匯編程序MASM調(diào)試程序調(diào)試程序D

20、EBUG.EXE硬件硬件BIOS應用程序應用程序*.ASM, *.OBJ*.LST, *.EXE操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)編輯程序，匯編程序編輯程序，匯編程序連接程序，調(diào)試程序連接程序，調(diào)試程序1. DOS操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)管理著系統(tǒng)的軟硬件資源操作系統(tǒng)管理著系統(tǒng)的軟硬件資源為用戶提供使用機器的交互界面為用戶提供使用機器的交互界面為程序員使用資源提供可供調(diào)用的驅動程序為程序員使用資源提供可供調(diào)用的驅動程序為其他程序構建穩(wěn)定的運行平臺為其他程序構建穩(wěn)定的運行平臺16位模擬位模擬DOS環(huán)境環(huán)境%SystemRoot%16位模擬位模擬DOS環(huán)境和環(huán)境和32位控制臺環(huán)境位控制臺環(huán)境兩種基本功能和界面一致，

21、但本質(zhì)不同兩種基本功能和界面一致，但本質(zhì)不同2. 匯編程序匯編程序將匯編語言源程序轉換為機器代碼將匯編語言源程序轉換為機器代碼微軟宏匯編程序微軟宏匯編程序MASMMASM 6.11是最后一個獨立發(fā)行的是最后一個獨立發(fā)行的MASM軟件包軟件包 MASM 6.15來自來自Visual C+6.0，支持到，支持到Pentium 4的的SSE2指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)為什么采用匯編語言？為什么采用匯編語言？本教材配套開發(fā)環(huán)境本教材配套開發(fā)環(huán)境MASM 6.15匯編系統(tǒng)匯編系統(tǒng)1.3 計算機中的數(shù)據(jù)表示計算機中的數(shù)據(jù)表示計算機只能識別計算機只能識別0和和1兩個數(shù)碼兩個數(shù)碼進入計算機的任何信息都要轉進入計算機的任

22、何信息都要轉換成換成0和和1數(shù)碼數(shù)碼處理器支持的基本數(shù)據(jù)類型處理器支持的基本數(shù)據(jù)類型8、16、32、64位無符號整數(shù)位無符號整數(shù)8、16、32、64位有符號整數(shù)位有符號整數(shù)ASCII字符、字符串和字符、字符串和BCD碼碼請請大大家家復復習習掌掌握握本本小小節(jié)節(jié)內(nèi)內(nèi)容容1.3.1 數(shù)值的編碼數(shù)值的編碼計算機內(nèi)部采用二進制，稱為機器數(shù)計算機內(nèi)部采用二進制，稱為機器數(shù)為便于人們交流，引入十六進制為便于人們交流，引入十六進制日常生活使用十進制，可稱為真值日常生活使用十進制，可稱為真值定點整數(shù)定點整數(shù)無符號整數(shù)：無符號整數(shù)：0 2N-1有符號整數(shù)，默認采用補碼：有符號整數(shù)，默認采用補碼：- 2N-1 2

23、N-1-1浮點實數(shù)（浮點實數(shù)（IEEE 754標準）標準）單精度浮點數(shù)單精度浮點數(shù)雙精度浮點數(shù)雙精度浮點數(shù)1.3.2 字符的編碼字符的編碼BCD（8421碼）碼）壓縮壓縮BCD碼：二進制碼：二進制4位表達十進制位表達十進制1位位非壓縮非壓縮BCD碼：二進制碼：二進制8位表達十進制位表達十進制1位位ASCII控制字符，例如：回車控制字符，例如：回車0DH、換行、換行0AH可顯示字符，例如：數(shù)字可顯示字符，例如：數(shù)字09（30H39H）、）、大寫字母（大寫字母（41H）、小寫字母（）、小寫字母（61H）Unicode給每個字符提供了一個唯一的數(shù)字，不論是什給每個字符提供了一個唯一的數(shù)字，不論是什么平臺，不論是什么程序，不論是什么語言么平臺，不論是什么程序，不論是什么語言返回返回處理器基本性能指標實例處理器基本性能指標實例年代年代Intel處理器處理器字長字長時鐘頻率時鐘頻率集成度集成度197140044位位108kHz2300197280088位位500kHz35001978808616位位5MHz2.9萬萬19858038632位位16MHz27.5萬萬2003Penti